李 莎，陳 雨，劉 皓， 宋晉忠

（1.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387；2.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094）

表面生物電織物干電極測(cè)試平臺(tái)的制作及性能評(píng)價(jià)

李 莎1，陳 雨1，劉 皓1， 宋晉忠2

（1.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387；2.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094）

為定量評(píng)價(jià)表面生物電織物干電極的性能，本文提出了一種表面生物電織物干電極性能評(píng)價(jià)的測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)能夠模擬人體的皮膚特性、調(diào)節(jié)電極/模擬皮膚間的壓力、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)軌跡，通過分析電極/模擬皮膚間的阻抗譜、動(dòng)態(tài)開路電壓等電學(xué)性能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)表面生物電織物干電極性能的全面評(píng)價(jià)，為生物電織物干電極的研究和開發(fā)提供測(cè)量手段和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

表面生物電織物干電極；模擬人體；阻抗譜；動(dòng)態(tài)開路電壓

0 引言

隨著人類生活水平的提高以及生活節(jié)奏的加快，心血管疾病已經(jīng)成為人類健康的首要威脅[1]。在我國(guó)，因心臟病而死亡的人數(shù)占總死亡人數(shù)的44%,心臟病已成為一種多發(fā)病和常見病,對(duì)心臟病的診斷和預(yù)防已經(jīng)成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)界面臨的首要問題[2]。由于這類疾病具有長(zhǎng)期性、累積性、偶發(fā)現(xiàn)，國(guó)外通行的做法是防范于未然，即對(duì)心臟健康狀況進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)[2]?？纱┐魇浇】当O(jiān)測(cè)系統(tǒng)是指利用生物式可穿戴傳感器采集人體運(yùn)動(dòng)和生理參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)人體非介入、連續(xù)無創(chuàng)的診斷檢測(cè)，以此幫助穿戴者實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)與健康管理[3]，是降低慢性心血管病患者死亡率和提高老年人生活質(zhì)量的有效手段之一。

表面生物電織物干電極能夠提取人體生理電信號(hào)，是穿戴式監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵部件[4]，然而現(xiàn)有的表面生物電織物干電極存在以下的一些問題：

（1）電極/人體皮膚之間存在動(dòng)態(tài)噪聲；

（2）電極/人體皮膚之間導(dǎo)電膠變干引起接觸阻抗的急劇變化；

（3）導(dǎo)電膠應(yīng)用會(huì)引起皮膚過敏和接觸性皮炎[5]。

為了解決這些問題，要對(duì)織物干電極的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，然而電極在人體表面的直接評(píng)價(jià)會(huì)受到很多不確定因素的影響，人體的環(huán)境、電極/皮膚表面的壓力、濕度等變化量的不易測(cè)量和控制會(huì)使得測(cè)量結(jié)果與實(shí)際情況不符，并且測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性和可再現(xiàn)性比較差[6]。在實(shí)際應(yīng)用中，電極與人體皮膚是有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，而現(xiàn)有的織物干電極性能測(cè)試平臺(tái)卻不能夠模擬電極/皮膚之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而分析電極/模擬皮膚界面的動(dòng)態(tài)噪聲。為了使測(cè)量指標(biāo)能更真實(shí)地模擬電極和人體表面皮膚接觸的動(dòng)態(tài)環(huán)境，我們?cè)O(shè)計(jì)和開發(fā)了一套表面生物電織物干電極性能評(píng)價(jià)測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)能夠模擬人體的皮膚特性、調(diào)節(jié)電極/模擬皮膚間的壓力、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)軌跡，通過分析電極/模擬皮膚間的阻抗譜、動(dòng)態(tài)開路電壓等電學(xué)性能參數(shù)，對(duì)表面生物電織物干電極的性能進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)。

本文全面地介紹了表面生物電織物干電極性能評(píng)價(jià)測(cè)試平臺(tái)及測(cè)試方法，為研究動(dòng)態(tài)條件下的電極/模擬皮膚界面機(jī)理和評(píng)價(jià)不同結(jié)構(gòu)和材料的電極性能提供了條件，并且測(cè)量和評(píng)價(jià)的結(jié)果可用于電極和服裝的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，同時(shí)也能夠?yàn)楸砻嫔镫娍椢锔呻姌O的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供幫助。

1 實(shí)驗(yàn)方法與儀器

1.1 儀器硬件和軟件開發(fā)

為了實(shí)現(xiàn)模擬電極/皮膚間的動(dòng)態(tài)測(cè)量過程，在測(cè)量系統(tǒng)中變化參數(shù)的可控制和可測(cè)量是非常必要的。圖1是表面生物電織物干電極性能評(píng)價(jià)測(cè)試平臺(tái)器件布局圖，測(cè)試平臺(tái)包括三個(gè)關(guān)鍵的部分，第一部分是皮膚仿真器，其上下端用微孔膜封裝一定濃度的電解質(zhì)以模擬人體皮膚，是測(cè)量的核心部件；第二部分是頂端/底端壓力控制器和二維電機(jī)，壓力控制器能夠通過旋轉(zhuǎn)上端旋鈕調(diào)節(jié)下端電極/模擬皮膚間壓力大小，二維電機(jī)則連著頂端壓力控制器在平面內(nèi)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)；第三部分是數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制，在電腦上能夠控制壓力調(diào)節(jié)裝置上的電極在平面內(nèi)做任意運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)軌跡的運(yùn)動(dòng)。

圖2是測(cè)試平臺(tái)的實(shí)物圖。電極/模擬皮膚間的壓力、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)軌跡和開路電壓等都在電腦上顯示，并且能夠把文件保存起來用于分析。

軟件部分采用美國(guó)NI公司的LabVIEW2011編寫，軟件上能夠同時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)位移、運(yùn)動(dòng)速度、電極循環(huán)次數(shù)、壓力大小和開路電壓等參數(shù)，并且能夠?qū)?shù)保存到文件用于分析[7]。二維平臺(tái)和壓力信號(hào)采集均采用RS232串口控制[8]。

1.2 電極的選擇與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本文選擇了4種不同平紋電極來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，四種電極分別是：a：普通的Ag電極；b：1.5v電壓下電鍍時(shí)間60秒的Ag/Agcl電極；c：2v電壓下電鍍時(shí)間60秒的Ag/Agcl電極；d：3v電壓下電鍍時(shí)間60秒的Ag/Agcl電極，圖3是4種電極的外觀圖。

圖4是4種平紋電極在相同壓力條件下，阻抗隨頻率變化的圖像，頻率的變化范圍是（0.01，100000）Hz。結(jié)果表明，1.5v電壓下電鍍得到的Ag/Agcl電極的阻抗最小，同時(shí)分別測(cè)試了在其他壓力條件下四種電極的阻抗圖，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，始終是1.5v電壓下電鍍得到的Ag/Agcl電極阻抗最小。

壓力與阻抗譜之間的關(guān)系反映了電極/模擬皮膚表面的接觸狀態(tài)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，用Ag/Agcl的電極作為測(cè)試對(duì)象，施加的壓力分別為20,30,40,50cN，測(cè)量得到的阻抗譜圖如圖5所示，可以看出，阻抗會(huì)隨著壓力的增大而降低。

圖6是Ag/Agcl電極在不同的運(yùn)動(dòng)速度下動(dòng)態(tài)開路電壓隨時(shí)間的變化圖。從圖中可以直觀地看出，在不同的速度下，動(dòng)態(tài)開路電壓的平均值和動(dòng)態(tài)開路電壓變化量的幅度有一定的差異，如果要分析動(dòng)態(tài)噪聲，必須要分析動(dòng)態(tài)開路電壓變化量與運(yùn)動(dòng)速度和壓力之間的關(guān)系。

圖7是動(dòng)態(tài)開路電壓的變化量與壓力和運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系圖?？梢钥闯鲈谙鄬?duì)運(yùn)動(dòng)速度不變情況下，隨著壓力的增加，動(dòng)態(tài)開路電壓變化量的幅度顯著增加，原因可能是，壓力越大，接觸面越緊密，相對(duì)移動(dòng)時(shí)對(duì)于界面電解液的攪拌作用越強(qiáng)，電荷密度變化就越明顯，因此電極電勢(shì)變化的幅度會(huì)越大。

2 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的表面生物電織物干電極性能評(píng)價(jià)測(cè)試平臺(tái)能夠模擬人體的皮膚特性、調(diào)節(jié)電極/模擬皮膚間的壓力、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)軌跡，分析電極/模擬皮膚間的阻抗譜、動(dòng)態(tài)開路電壓等電學(xué)性能參數(shù)，達(dá)到評(píng)價(jià)織物電極性能的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，壓力對(duì)于阻抗變化的影響比較大，壓力越大，阻抗越小。在運(yùn)動(dòng)速度不變的情況下，動(dòng)態(tài)開路電壓變化量會(huì)隨壓力的增加而增加。在壓力不變情況下，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度越快，動(dòng)態(tài)開路電壓變化量越小，即動(dòng)態(tài)噪聲越小。了解了變化參數(shù)與動(dòng)態(tài)噪聲之間的關(guān)系，可以通過合理地選擇電極的材料、設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)和集成到服裝中的方式以最大限度地減少生物電監(jiān)控中的噪聲，為表面生物電織物干電極的性能評(píng)價(jià)和電極評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了條件。

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Fabrication and performance evaluation of test platform for surface bioelectric fabric dry electrode

LI Sha1, CHEN Yu1, LIU Hao1, SONG Jinzhong2
(1.School of Mechanical Engineering, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China; 2.China Astronaut Research and Training Center, Beijing 100094, China)

In order to quantitatively evaluate the performance of surface bioelectric fabric dry electrode, this paper presents a test platform for the evaluation of surface bioelectric fabric dry electrode, which can simulate the skin's characteristics, regulate the pressure between electrode and simulated skin, the motion velocity and trajectory . The electrical performance parameters such as the impedance spectra and the dynamic open circuit voltage between the electrodes and the simulated skin were analyzed to evaluate the performance of the surface bioelectric fabric dry electrode and provide the measurement for the research and development of the bioelectrical fabric dry electrode means and related standards.

surface bioelectric fabric dry electrode；simulated human body；impedance spectrum；dynamic open circuit voltage

TP212.3

A

投稿日期：2016-10-29

李 莎（1971-），女，副教授，博士，湖南省婁底人，主要研究方向：建筑環(huán)境舒適與節(jié)能。